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太阳能作为一种能源和动力进行应用,已有300多年历史,但在上个世纪70年代以前,太阳能技术的发展比较缓慢,利用范围有限。而70年代初,世界上出现了开发利用太阳能的热潮,研究领域不断扩大,出现了真空集热管、非晶硅太阳电池、太阳能发电等等一批新成果,太阳能热水器、太阳电池等产品开始实现商业化,但规模比较小,经济效益不理想。太阳能开发利用经历的时间比较长,主要原因是因为太阳能的开发利用难度较大。由于大量燃烧不可再生能源,造成了全球性的环境污染和生态环境的破坏,对人类的生存和发展构成威胁。一九九二年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”,通过了《里约热内卢环境与发展宣言》等一系列重要文件,把环境和发展纳入一个统一的框架,确立了可持续发展的模式,世界各国加强了清洁能源技术的发展。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的新型清洁能源,它的开发利用越来越受到世界范围的广泛关注,太阳能与环境结合起来,使太阳能的利用迎来了一个新的发展阶段。我国也相应制定了《中国21世纪议程》,进一步明确了太阳能为重点发展项目。目前在太阳能的应用中,太阳能热水供应应用的最为普遍,其系统形<WP=49>式主要有:家用太阳能热水器、集中式太阳能热水供应、太阳能开水供应等。集中式太阳能热水供应系统在运行时需要补充热源,目前补充热源主要是以燃油炉或燃气炉为主,也有用电进行加热的。这几种补充热源,具有系统初投资大,设备闲置时间长等缺点。我国大部分地区冬季需要采暖,将采暖系统的回水作为太阳能系统的补充热源,接至太阳能系统的储热水箱中,这样两个系统可以联合运行,见图1。采暖热媒的设计温度一般为95~70℃。实际运行时,随着室外气温的变化,供水温度会发生改变,相应的回水温度也在发生变化,对于与外网直接连接的一般散热器热水采暖系统,进行质调节时,管网的回水温度可按下式计算 <WP=50> (1)式中th′为任一室外气温下,供热管网的供、回水温度,℃;tg、th为设计条件下的供、回水温度,℃;tn为冬季室内计算温度,℃;tw为冬季室外空气温度,℃;twj为采暖室外空气计算温度,℃;B——与散热器类型有关的实验系数。以长春市为例:采暖室外空气计算温度为-23℃,室内空气设计计算温度为18℃, 采用大60型散热器,可查得B=0.28,将参数代入式(1)计算,结果表明回水温度在40.3~70℃范围内变化(若有量调节时回水温度变化范围会增大几度),在此取35~70℃分析。由《建筑给水排水设计规范》可知,热水供应系统的设计温度一般为60~75℃,另外,当热水供应系统只供淋浴和盥洗用水,不供洗涤盆用水时,配水点最低水温可不低于40℃。 这为采暖系统和太阳能系统的有机结合提供了有利条件。在采暖期,图1中阀门1、3、4打开,阀门5关小,阀门2关闭,热水从水箱上部取用(储热水箱在实际运行时,在扰动较小的情况下,上部和下部的水温相差接近10℃)。在太阳能系统得热量越少的月份,采暖系统的回水温度越高,太阳能系统可获得的补充热量越多。对于水—水换热,其换热温差可取10℃,采暖系统在实际运行时,很少能达到设计工况,回<WP=51>水温度能达到60℃就算很高了,因而联合运行系统的热水供应最高温度应在70℃左右;另外当采暖系统回水温度在35℃时,基本在采暖的初期和末期,此时太阳能系统的得热量有节余,采暖系统起冷却作用,联合运行系统的热水供应温度应在45℃左右,即实际运行时,采暖期联合运行系统的热水供应温度在45~70℃的范围变化,能够满足热水供应的要求。在非采暖期,采暖系统停止运行,而此时太阳能系统的得热量有节余,储热水箱中的水温高于热水供应的设计温度,因此,图1中阀门2打开,阀门1关闭,取用水箱下部温度较低的热水。不同系统的经济效益可按照费用年值法进行分析比较,比较时都以系统每获得1GJ的热量所需费用为基准,计算公式如下:每平方米建筑面积的费用年值Z可按式(2)计算: (2)式中Z为费用年值,元/m2·年;C为热水供应系统的年运行费用,元/m2·年;K为热水供应系统的工程投资,元/m2;n为热水供应设施(设备)的种类数;x为投资效果系数,1/年。系统每获得1GJ的热量所需的费用Z1可按式(3)计算: <WP=52> (3)式中Z1`为系统每获得1GJ的热量所需的费用,元/GJ;Q为每平方米建筑面积每年从系统中获得的热量,GJ/ m2·年。在我国七个热能区中,除南方区和西南区之外,其余五个区均需采暖,在这五个区内分别取一个城市,即长春(东北区)、北京(华北区)、呼和浩特(黄土丘陵区)、乌鲁木齐(西北干旱区)和拉萨(青藏高原),按式(2)、(3)进行计算,结果表明:1)青藏高原区利用太阳能系统进行热水供应的费用是最少的,而且比其它地区低很多,比费用最高的东北地区(99.26元/GJ)低34.82%。2)在我国的主要采暖地区,热水供应的热负荷在采暖期与非采暖期相差不大,但采暖期所需集热器面积均比非采暖期大一倍以上。这样联合运行系统集热器面积若按采暖期平均负荷确定,在采暖期无需额